Diody półprzewodnikowe. Model diody półprzewodnikowej Shockley a. Dioda półprzewodnikowa U D >0 model podstawowy

Transkrypt

1 iody półprzewodnikowe Model diody półprzewodnikowej Shockley a U U + U gr0 exp 1 0 exp 1 2ϕT ϕt gr0 prąd generacyjno-rekombinacyjny 0 prąd nasycenia φ T potencjał termiczny elektronów kt/e26mv dla T300K U S exp 1 nϕt S efektywny prąd nasycenia ( A) n współczynnik niedoskonałości (1 2) ioda półprzewodnikowa U >0 model podstawowy 1

2 iody półprzewodnikowe podstawowe rodzaje iody półprzewodnikowe - wprowadzenie ioda półprzewodnikowa stałoprądowa charakterystyka rzeczywista F U R Przebicie lawinowe R U F U R U Przebicie Zenera R S 2

3 R U C j C 0 R S ioda półprzewodnikowa model dynamiczny R U - rezystancja upływu, R S rezystancja szeregowa, C 0 pojemność obudowy, C d pojemność dyfuzyjna, (stan przewodzenia), C j pojemność złączowa (stan zaporowy) C d C j ( U 0) C j m U 1 V j τ t Cd nϕ T la ωτ t <<1 τ t czas przejścia n - wsp. niedoskonałości φ T - potencjał termiczny C j (0) pojemność bez polaryzacji, U napięcie na diodzie (<0), V j potencjał dyfuzyjny ( wbudowany ) (0,5 1V) m 1/3 1/2 (1/2 dla krzemu????) iody półprzewodnikowe - parametry 1. Prąd przewodzenia F (forward) : - AV(M) (average) średni, maksymalny - RMS (root mean square) skuteczny - SM (surge maximum) impulsowy maksymalny, niepowtarzalny 2. Napięcie przewodzenia U F (forward) 3. Prąd wsteczny R (reverse); (M) - maksymalny 4. Napięcie wsteczne U R (reverse) : - RMM (repetitive reverse maksimum) maksymalne, powtarzalne - SM (surge maximum) impulsowe maksymalne 5. Czas powrotu t rr (recovery time) iody półprzewodnikowe - parametry nne parametry: 6. Szybkość narastania U R du R /dt 7. Moc 8. Zakres temperatur pracy 9. Rezystancja cieplna 3

4 Model diody półprzewodnikowej Parametry katalogowe Symbol U RRM [V] R [ua] F F [V] [A] FM FSM [V] [A] t rr [ns] C[pF]@ U RRM zastosowanie 1N ioda prostownicza 1A 1N ioda prostownicza 1A 1000V BA /4V Szybka prostownicza 1N n A/1us Szybka przełączana 1N m ? 40 Prostownicza Shottky BAT Shottky (zw. moc) ST06S Szybka, Silicon-carbide wysokonapięciowa, mocy; Shottky SEP12-12A ? Szybka, wysokonapięciowa, mocy iody półprzewodnikowe Napięcie przewodzenia dla amatorów Symbol U F F U F t rr R [V] F 1mA [ns] [μa] 1N4002 (prostownicza 100V) N4007 (prostownicza 1kV) BA159 (szybka 1kV) N4148 (przełączająca) nA 1N5819 (Shottky 1A) ? 1000 BAT43 (Shottky 0.2A ) ST06S60 (Shottky mocy) SEP12-12A 12A (zero t rr ) !! 100 LE R 0.9 LE R G Y O LE Blue & White 3.6 4

5 Model dynamiczny diody recovery time t rr U E t E R U~ F t rr t R ~ F!!!!! U U ~0.7V t -E ioda zależności temperaturowe U S exp 1 nϕt du nϕ T 1 ds ln n dt T + 1 ϕt s s dt EG nϕ T e ϕt ln 1 3n T + s T T Gdzie:E G przerwa energetyczna (dla Si 1.12eV) wtedy: du 2 mv dla ma dt deg 2 iody półprzewodnikowe wpływ temperatury 1N4001 Wpływ temperatury na charakterystykę diody w kierunku przewodzenia 5

6 du dt jako funkcja prądu diody [mv/k] idealna rzeczywista (wpływ rezystancji szeregowej R s) [ma] iodowy czujnik temperatury 1 +VCC 2 U S exp 1 nϕt ϕ kt T e 1 U T 2 U T U 2 U 1 du T nk ln dt e nϕt ln ioda zależności temperaturowe [ma; A] U F (-2mV/deg) U R R (>1,5 2x/10deg) U Przebicie lawinowe U z>5.1v U z<5.1v Przebicie Zenera [pa; na; µa] 6

7 Model diody półprzewodnikowej model fizyczny i SPCE a U S exp 1 nϕt BV ( BV + U exp ) n bϕt τ t Cd nϕ T U R S C j ( U 0) C j m U 1 V j C d C j Model diody półprzewodnikowej model fizyczny i SPCE a NAZWA OPS J. BV Napięcie przebicia wstecznego kolano charakterystyki (przykładowe wartości) V CJO Pojemność złącza przy zerowym napięciu polaryzacji F 0 EG Przerwa energetyczna ev 1.11 FC Współczynnik granic linearyzacji pojemności Vd>0 0.5 BV Prąd przebicia przy napięciu BV (dodatni) A 1E-10 S Prąd nasycenia A 1E-14 M Współczynnik gradientu domieszkowania złącza N Współczynnik emisji 1-2 RS Szeregowa rezystancja pasożytnicza Ω TT Czas przelotu s 5ns - 5µs VJ Potencjał złącza (bariery) V XT Wykładnik potęgi zależności prądu S od temperatury 3 Model linearyzowany - dynamiczny - małosygnałowy punkt pracy Q Q Q ( t) Q + i sin( ωt) U Q U ( t) UQ + u sin( ωt) U r d du d u i 7

8 ioda - rezystancja dynamiczna małosygnałowa - dynamiczna U S exp 1 nϕt Q 1mA Q ( t) Q + i sin( ωt) + S U nϕt ln S du rd d Q nϕt nϕt + s U Q U ( t) U Q + u sin( ωt) du rd d Q u i 25mV rd 25Ω dla 1mA; n 1 1mA du rd d ioda - rezystancja dynamiczna małosygnałowa - dynamiczna Q nϕt nϕt + s 25mV 25mV rd 25Ω dla 1mA; n 1 1mA 25mV rd 250Ω 0.1mA dla 100µ A; n 1 25mV rd 2,5kΩ 0.01mA dla 10 µ A; n 1 UMOWNY!!!! Zakres liniowości dla diody wynosi około 25mV ioda - rezystancja dynamiczna małosygnałowa - dynamiczna U ( t) U Q + u sin( ωt) r d ( Q ) R S ( t) Q + i sin( ωt) C j du rd d Q u ϕt i C d 8

9 ioda przełącznik diodowy C1u U wy? r d R4k6 4k6 BRAK SYGNAŁU NA WYJŚCU +9 C1u U wy? r d 25Ω R4k6 4k6 JEST SYGNAŁ NA WYJŚCU +9 Model linearyzowany - dynamiczny - małosygnałowy Q ( t) Q + i sin( ωt) U U Q r d du u ϕt d i U ( t) UQ + u sin( ωt) ioda -- klucz mostkowy układ próbkująco - pamiętający impuls próbkujący R Uwe C Uwyj R 9

10 ioda modele Model fizyczny (Shokley a) Model numeryczny (SPCE) Model dynamiczny (małosygnałowy) Model odcinkowo liniowy Model stałego spadku napięcia Model idealny (przełącznik) Model odcinkowo liniowy r dsr r dsr E U <E U >E E U Model o stałym spadku napięcia r dsr 0 E U <E U >E E U 10

11 Model idealny r dsr 0 U <E U >E E 0 U iody prostownicze Cechy charakterystyczne: - duża powierzchnia warstw zaporowych - niewielkie częstotliwości pracy (głównie 50 lub 100 Hz); chyba, że szybkie np.. Schottkye go - szeroki zakres mocy dopuszczalnych - stosowane głównie w układach zasilających do prostowania prądów przemiennych iody prostownicze 11

12 iody detekcyjne i mieszające Charakterystyki i symbol takie jak dla diody prostowniczej (oprócz diody wstecznej). Cechy charakterystyczne: - szeroki zakres częstotliwości pracy: Hz GHz - bardzo mała powierzchnia złącz małe pojemności: pf - praca ze znacznie mniejszymi prądami w porównaniu do diod prostowniczych. o grupy tej należą: diody ostrzowe germanowe lub krzemowe, diody Schottkye go, diody wsteczne. iody detekcyjne i mieszające diody ostrzowe Parametry dynamiczne: - pojemność diody przy określonej częstotliwości i określonym napięciu wstecznym - sprawność detekcji: stosunek mocy sygnału zdemodulowanego do mocy sygnału zmodulowanego - czułość prądowa zdolność do oddawania przez diodę użytecznych sygnałów wyjściowych dla danego sygnału zmodulowanego w. cz. - względna temperatura szumów diody stosunek mocy szumów diody w danym paśmie do mocy szumów cieplnych idealnego rezystora liniowego mającego tą samą temperaturę co dioda - moc admisyjna ioda pojemnościowa warikapy i waraktory C j ( U 0) C j m U 1 V j Warikap (VARiable CAPacitance) dioda o zmiennej pojemności do przestrajania obwodów rezonansowych (BB113,109,105) Waraktor (VARiable reactor) dioda o zmiennej reaktancji element nieliniowy stosowany w mikrofalach 12

13 iody stabilizacyjne Zenera (stabilitrony) Symbol, charakterystyka układ polaryzacji U zmax U z zmin U + R U we ZQ U wy U ZQ zmax P max - iody stabilizacyjne Zenera (stabilitrony) U ZQ U + Z ( ZQ Z min ) r d dla: < < Z min ZQ Z max U ZQ U Z U Z Z zmin U ZQ U Z r d P max U rd Z Z ioda stabilizacyjna Zenera główne parametry Napięcie Zenera (3V3 30V; 200V 240V) Prąd minimalny (3 5 ma) Moc (1 10W) Rezystancja dynamiczna (10 300Ω) Minimalna dla U z 7V5 Współczynnik temperaturowy (-5 +15%/K) Zerowy dla U Z 5V1 13

14 ioda stabilizacyjna Zenera wsp. Temperaturowy i rezystancja dynamiczna iody stabilizacyjne Zenera - parametry ioda tunelowa - wzmacnianie i generacja mikrofal L Rs -Rt Cj 14

15 ioda wsteczna - detekcja mikrofal U U ioda wsteczna - detekcja mikrofal Mikrofalowe diody modulacyjne, tłumiące i przełaczające typu PN Budowa a) i schematy zastępcze: b) polaryzacja zaporowa, c) polaryzacja w kierunku przewodzenia W kierunku zaporowym dioda stanowi kondensator o niewielkiej pojemności. 15

16 Mikrofalowe diody modulacyjne, tłumiące i przełaczające typu PN W kierunku przewodzenia do obszaru o dużej rezystywności (półprzewodnik samoistny) wstrzykiwane są dziury z P i elektrony z N, powodując wzrost konduktywności tego obszaru proporcjonalny do płynącego prądu. Zastosowania: - modulator amplitudy - klucz - tłumik iody elektroluminescencyjne LE Parametry orientacyjne: ługość fali: (400 UV,455 B,565 G,590 Y,620 O,660 R, 880 R,940 R nm) Szerokość spektralna (50 200nm) Jasność ( mcd) Kąt świecenia (10 90 deg) Fotodioda; Fotoogniwo U Fotodioda <0;U<0 Fotoogniwo <0; U>0 wzrost oświetlenia 16

17 Fotodioda ~ P sw Główne parametry Fotodioda zakres spektralny (UV, VS, R) czułość (A/W)- typowo 0.5A/W dla R czas odpowiedzi (ns µs) pojemność (związana z czasem) upływność Główne parametry: Fotoogniwo zakres spektralny napięcie (zależy od rodzaju półprzewodnika dla Si 0,7V) U wydajność prądowa sprawność (5-10%) 17

18 Podsumowanie Właściwości diody półprzewodnikowej Model małosygnałowy diody Rodzaje diod: Zenera, Gunna Wsteczna, Pojemnościowa, LE, Ogniwo fotowoltaiczne